不同進水濃度對組合式垂直流人工濕地 污水處理效果的影響

洪海燕

（安徽三聯(lián)學院，合肥 230601）

隨著污水處理要求的提高，人工濕地從最初主要用于處理污水中懸浮物和有機物逐漸朝脫氮除磷方向發(fā)展[1]。與磷在人工濕地中主要借助基質(zhì)吸附與沉淀作用去除不同，氮在人工濕地中主要依靠微生物的硝化/反硝化作用去除。具體應用中，一般的人工濕地脫氮效率不超過50%，利用垂直流濕地對污水中NH3-N 平均去除率為60.0%[1]。由于垂直流人工濕地系統(tǒng)植物根系中氧的轉(zhuǎn)移能力較強，所以氮的生物硝化能力強，而氮的反硝化作用減弱。

在氮的反硝化過程中，用各種各樣的有機底物（碳源）作為電子受體，碳源的不足影響了氮的反硝化能力，因此補充碳源能提高濕地的有機物氧化分解能力，增加脫氮效率。為了提高人工濕地氮去除效率，本試驗設(shè)計組合式垂直流人工濕地系統(tǒng)，采用“下行-上行-下行”水流方式的組合形式，一方面可以通過水流重力的無動力，降低污水處理的能耗；另一方面可以通過分級進水增加碳源，促進反硝化作用，加強脫氮效果。

1 材料與方法

1.1 組合式垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

安裝組建4 套“下行-上行-下行”組合式垂直流人工濕地小試系統(tǒng)，如圖1所示。每套人工濕地系統(tǒng)裝置由3 級填充不同基質(zhì)的垂直流人工濕地單元組合而成，第一級濕地填充的基質(zhì)是7～18 mm 的沸石，第二級濕地填充的基質(zhì)是6～9 mm 的頁巖，第三級濕地填充的基質(zhì)是5～10 mm 的陶粒。3 種基質(zhì)填充的高度都為0.5 m。濕地種植的植物選用西伯利亞鳶尾，因其具有粗壯的根狀莖，能有效攔截污水中的有機物質(zhì)，既耐寒又耐熱，具有很好的觀賞價值，種植密度為20 株/m2。

圖1 組合式垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

將直徑25 mm 已穿孔的PVC 管布置在每級濕地單元的池子頂部及底部，用于均勻分布進水和收集出水。第三級濕地出水口設(shè)置虹吸管，虹吸管出口位于30 cm 處。

1.2 試驗設(shè)計

試驗前連接好布水管、集水管等裝置，移栽種植處于生長期的西伯利亞鳶尾，并用自來水沖洗試驗裝置和填料浮塵，取合肥市經(jīng)開區(qū)某污水廠初沉池出水用作濕地進水，進水COD 平均濃度為151.5 mg/L，TN 平均濃度為37.12 mg/L，TP 平均濃度為4.52 mg/L，磷酸鹽（PO43-）平均濃度為3.21 mg/L。試驗之前，用稀釋的進水先對濕地植物進行培養(yǎng)馴化，其間定期測定出水水質(zhì)，待有穩(wěn)定出水水質(zhì)再慢慢提高水力負荷，試驗周期為2018年4-9月，歷時5 個月。

4 套系統(tǒng)中每套系統(tǒng)由3 級濕地池子組成，每套平行系統(tǒng)都設(shè)置4 個不同的兩級進水方式，分別為0%的進水濃度、10%的進水濃度、20%的進水濃度、30%的進水濃度。0%濃度的進水方式為：第一級進水濃度為100%，第二級進水濃度為0%；10%濃度的進水方式為：第一級進水濃度為90%，第二級的進水濃度為10%；20%濃度的進水方式為：第一級進水濃度為80%，第二級的進水濃度為20%；30%濃度的進水方式為：第一級進水濃度為70%，第二級的進水濃度為30%。

1.3 水樣采集與測定

采集每套濕地單元第1、2、3 級的出水和進水，其間及時進行水樣分析，每周采集一次，試驗指標COD 的測定方法（重鉻酸鉀氧化法）、NH4+-N 的測定方法（納氏試劑光度法）、TN 的測定方法（過硫酸鉀氧化 紫外分光光度法），TP 的測定方法（鉬酸銨分光光度法）[2]。各指標測定的具體操作步驟詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》。

1.4 數(shù)據(jù)處理

計算公式為：污染物的去除率（%）=（C進-C出）/C進×100%。

每級去除貢獻率即為每個濕地池子的處理能力對總處理能力的貢獻。第一級處理去除貢獻率（%）= （1 級C進-1 級C出）/（1 級C進-3 級C出）× 100%；第二級處理去除貢獻率（%）=（1 級C出- 2 級C出）/（1 級C進-3 級C出）×100%；第三級處理去除貢獻率（%）=（2 級C出-3 級C出）/（1 級C進- 3 級C出）×100%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 COD 去除結(jié)果分析

從表1試驗結(jié)果來看，4 套平行裝置的人工濕地總出水水質(zhì)較穩(wěn)定，污染物的COD 平均去除率也在80%以上，人工濕地每個處理單元的出水平均值在26.5 mg/L，出水COD 濃度遠低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級A 標準[3]。這說明組合式的人工濕地系統(tǒng)能有效去除有機物中的COD，但從圖2來看，每級出水水質(zhì)差異不明顯，說明這4 種進水方式對COD 處理效果的影響不大，再從進水0%-1 級出水的過程來看，COD 下降很明顯，說明大多數(shù)有機污染物都在一級池子中去除，這主要是因為一級池子的布水管網(wǎng)均勻分布大量的污水，這些污染物能充分與池子上方的空氣作用，形成有氧環(huán)境，它是去除COD 的有利條件。

在4 套系統(tǒng)中，第一級出水的去除貢獻率為81.52%，而第二級出水的去除貢獻率僅為1.02%，第三級出水的去除貢獻率為17.46%，同時，在植物根部附著大量的微生物，植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收進一步提高了污染物去除的效果，特別像鳶尾這種大棵挺水植物，能有效攔截有機物。因此，本試驗中，人工濕地COD 的去除過程主要發(fā)生在系統(tǒng)的第1 級。

表1 COD 進出水濃度及去除率

圖2 不同進水濃度下的組合式垂直流人工濕地中COD 的沿程變化

2.2 TN 去除效果

從表2中TN 的試驗結(jié)果來看，4 套平行試驗TN 進水濃度為37.12±3.27 mg/L，TN 的總出水濃度為17.8±3.20mg/L，TN 的出水水質(zhì)基本達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級B 標準[3]。從每一級濕地的曲線變化圖的變化趨勢來看，每級出水水質(zhì)TN 不斷下降，在20%-3 的出水TN 出現(xiàn)最低點，出水濃度為14.62 mg/L，說明在20%進水分配濃度條件下，TN 處理效果較好。

表2 TN 進出水濃度及去除率

生活污水中氮一般以有機氮和氨氮（NH4+-N）形式存在，硝酸鹽氮（NO3--N）含量很低，污水中有機氮在處理過程中被微生物轉(zhuǎn)化為NH4+-N，然后NH4+-N 在硝化菌的作用下進一步轉(zhuǎn)化為NO3--N。濕地中氮的去除有微生物硝化和反硝化作用的兩個過程。在好氧的條件下，發(fā)生硝化反應。

亞硝酸鹽菌：

硝酸鹽菌：

第一級去除貢獻率在40%左右，大部分氮的去除發(fā)生在第一級，再加上沸石的離子交換作用，大部分NH4+-N 被去除。

在濕地的床層中，連續(xù)存在好氧、缺氧以及厭氧的狀態(tài)，微生物的硝化反應和反硝化反應也是同時進行的，在缺氧的情況下，氮又發(fā)生反硝化反應，反硝化過程中在反硝化菌的作用下，各種有機物質(zhì)作為碳源為反硝化反應提供電子供體，NO2--N 和NO3--N形式被還原成N2釋放出來。本試驗采用第二級補充污水作為碳源，結(jié)合第二級上行布水方式提供的厭氧環(huán)境，加強了氮的反硝化反應，提高了氮的去除效果。因此，第二級的出水TN 濃度在第一級的基礎(chǔ)上又有所下降，4 套系統(tǒng)第二級對TN 的去除貢獻率平均為41.23%，效果顯著，三級出水對TN 的去除貢獻率分別為40.99%、40.84%、18.17%，如圖3所示。

試驗數(shù)據(jù)表明，第一級和第二級去除效率較高，在進水比例為30%濃度的第二級時，TN 的去除效率有下降，可能是因為第二級補充過多的污水，導致氮無法完成微生物的硝化過程，以至于TN 整體的去除效率下降。因此，需要控制合理的分級進水濃度，這樣才能獲得更好的脫氮效率。通過第三級平行出水水質(zhì)的比較，筆者發(fā)現(xiàn)，20%份額的第三級出水的TN濃度明顯低于其他進水份額的第三級TN 出水濃度，說明20%進水分配的TN 去除效果最好。

圖3 不同進水濃度下的組合式垂直流人工濕地中TN 的沿程變化

2.3 TP 去除效果

從試驗結(jié)果來看，4 套平行裝置中，TP 的去除率在75.53%～80.81%，TP的出水濃度分別為0.87 mg/L、 1.13 mg/L、1.02 mg/L、1.27 mg/L，TP 的出水濃度基本達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918－2002）的一級B 標準（見表3）[3]。比較平行裝置不同進水濃度下的TP，其總出水濃度相差不大，各處理之間的去除效果沒有顯著差異，如表3、圖4所示。和COD 類似，這說明進水方式對TP 的處理影響不大，但從表3、圖4來看，污水經(jīng)濕地第一級和第二級單元處理之后TP 濃度沒有明顯下降，到濕地第三級之后TP 濃度有顯著減少，4 套系統(tǒng)中每套系統(tǒng)第一、第二級對TP 去除的貢獻率平均分別為29.57%和16.88%，第三級對TP 去除的貢獻率為54.35%，說明第三級對TP 去除的貢獻大，試驗表明TP 的去除大部分在第三級完成。因此，濕地的基質(zhì)對磷的去除起到很大的作用。

表3 TP 進出水濃度及去除率

圖4 不同進水濃度下的組合式垂直流人工濕地中TP 的沿程變化

污水中磷有三種存在形式，即有機磷化合物、不溶性磷酸鹽和可溶性磷酸鹽，統(tǒng)稱為總磷（TP）[4-5]。TP 的去除主要依靠基質(zhì)吸附和濕地植物的吸收，本系統(tǒng)對TP 的去除效果明顯，也很穩(wěn)定。各個月份TP的去除率能夠保持在80%～85%，研究發(fā)現(xiàn)，不同基質(zhì)對磷的去除存在較大差異，若土壤中含有較多的鈣、鐵、鋁氧化物，則有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁，增強土壤的去磷能力[6]。本試驗裝置中，第三級填充基質(zhì)富含有鈣物質(zhì)的陶粒，可與可溶性的無機磷酸充分發(fā)生化學反應，有助于磷的去除。還有一部分無機磷，可以通過微生物聚磷菌的過量積累和植物的收割更換去除。

3 結(jié)論

組合式垂直流人工濕地對COD的處理效果穩(wěn)定，且4 套裝置的第三級出水均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級A 標準。不同進水方式對COD 處理影響不大，系統(tǒng)第一級去除了污水中的大部分COD。4 套系統(tǒng)各級對TP 有一定的去除能力，但在第三級去除顯著，系統(tǒng)TP 出水濃度基本能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B 標準，可以通過適宜基質(zhì)的配置進一步降低TP 出水濃度。不同進水方式對去氮效果明顯，在本試驗中當進水比例為20%時，TN 去除效率達到53.88%，說明分級進水方式可以提高TN 的去除率。